鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的相控陣檢測(cè)方法研究

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的相控陣檢測(cè)方法研究 學(xué) 院： 測(cè)試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二Oxx 年 六 月 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的相控陣檢測(cè)方法研究摘要：鋼管桁架是用鋼管在其端部焊接而成的格子式結(jié)構(gòu)，各桿件之間以相貫線型式相交，主管與支管的連接方式可呈K、T、Y相貫節(jié)點(diǎn)形式。鋼管桁架結(jié)構(gòu)截面具有良好的抗壓和抗彎性能，構(gòu)造簡(jiǎn)單，且不用節(jié)點(diǎn)板.因?yàn)樗哂型庑蝺?yōu)美、結(jié)構(gòu)輕、穩(wěn)定性好、剛度大等特點(diǎn)，以及其獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性能，鋼管桁架可適用于不同形式的結(jié)構(gòu)建筑.目前已廣泛應(yīng)用于吊車梁、屋蓋結(jié)構(gòu)、體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、塔架等大型建筑設(shè)施中。所以對(duì)其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的焊接，以及焊接工藝和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有特殊的要求。超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種獨(dú)特的超聲檢測(cè)技術(shù)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)激發(fā)晶片的數(shù)量、序列、時(shí)間等參數(shù)來(lái)調(diào)整聲束的偏轉(zhuǎn)角度、聚焦深度等變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)材料的覆蓋，探查缺陷并生成直觀可視的電子掃描圖像。強(qiáng)大的軟件控制功能可大大提高相控陣的檢測(cè)效率，探頭晶片排布陣列的多元化也能優(yōu)化超聲成像質(zhì)量。相控陣檢測(cè)的多掃描方式使缺陷的定位更加準(zhǔn)確，檢測(cè)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)以及可動(dòng)態(tài)回放分析等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)行業(yè)。關(guān)鍵詞：超聲波相控陣 鋼管桁架 晶片 偏轉(zhuǎn) 聚焦Research phased array detection steel truss with nodesAbstract:Steel pipe truss is pipe at the end of the welding and the grid type structure, among the members in tubular linear intersect, Theconnectionof main and branchwasK,T,Ytubular jointsform.Section of the steel pipe truss structure has good compressive and flexural performance, simple structure and no node plate. Because it has the characteristics of beautiful appearance, light structure, good stability, stiffness of large, and the unique economical and practical performance, the steel tube truss can be applicable to different forms of architecture. Currently, it has been widely applied in crane beam, roof structure, the stadiums, convention and Exhibition Center, the tower of large building facilities.Sothejointwelding,and welding technologyandnondestructive testing technologyhave special requirements.Phased array ultrasonic testing technology is a unique ultrasonic detection technology, mainly through the excitation chip number, sequence, time and other parameters to adjust the sound beam deflection angle, depth of focus and other variables to achieve for material inspection coverage, probing the defects and generate an intuitive visual electronic scanning image.Software is a powerful control functions can greatly improve the detection efficiency of a phased array, diversification of wafer probe arrays can also optimization of ultrasound imaging quality.Phased array inspection of multi scan mode to locate defects more accurately, data detection can stored and dynamic replay analysis advantages make it widely used in industrial inspection industry.Keywords: Ultrasonic phased array steel pipe truss wafer deflection focus目 錄1 緒論11.1 選題的依據(jù)及意義11.2 超聲相控陣發(fā)展及研究現(xiàn)狀21.3 相控陣技術(shù)用于鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)32 理論基礎(chǔ)5 2.1 超聲相控陣檢測(cè)原理概述52.1.1相控陣的偏轉(zhuǎn)52.1.2相控陣的聚焦62.1.3相控陣的發(fā)射和接收72.1.4相控陣探頭及其主要參數(shù)82.1.5相控陣的掃查方式92.1.6相控陣的掃描模式及圖像顯示103 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備133.1 Phascan超聲相控陣儀器簡(jiǎn)介133.2 儀器探頭參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)133.2.1創(chuàng)建應(yīng)用設(shè)置133.2.2探頭和斜楔的設(shè)置143.2.3聚焦法則設(shè)置153.2.4聲速的校準(zhǔn)163.2.5延遲的校準(zhǔn)163.2.6靈敏度的校準(zhǔn)173.2.7TCG曲線的校準(zhǔn)183.3 實(shí)驗(yàn)材料及狀態(tài)184 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫的超聲檢測(cè)204.1實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)204.2 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫的相控陣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)204.2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析204.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析224.2.3實(shí)驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證234.3 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫的常規(guī)超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)304.3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析304.3.2實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化314.4 結(jié)論315 總結(jié)32參考文獻(xiàn)33致謝34 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的相控陣檢測(cè)方法研究1緒論1.1選題的依據(jù)及意義 近年來(lái)，隨著鋼鐵產(chǎn)量的供應(yīng)增長(zhǎng)，管桁架被廣泛的用于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中。例如體育館、商務(wù)會(huì)所、地鐵站臺(tái)、商務(wù)樓等。鋼管結(jié)構(gòu)具有外形美、經(jīng)濟(jì)、構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。常用鋼桁架主要用于承重構(gòu)件。各式塔架，輸電線路塔等，是一種造型優(yōu)美的的空間鋼桁架。桁架是指由桿件在端部相互連接而組成的格子式結(jié)構(gòu)，管桁架即是由管子焊接而成的結(jié)構(gòu)。桿件一般只受軸線拉力或壓力，應(yīng)力均勻分布在截面上，結(jié)構(gòu)自重小。它可以做成各式形狀，如簡(jiǎn)支桁架、拱、框架及塔架等。因而桁架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)今的許多大跨度的場(chǎng)館建筑，如會(huì)展中心、體育場(chǎng)館或其他一些大型公共建筑中得到了廣泛運(yùn)用。鋼管結(jié)構(gòu)的線條流暢，體形優(yōu)美。鋼管截面慣性半徑較大，可減輕體重，因而經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，相應(yīng)減少了防腐和防火涂料的費(fèi)用。鋼管的連接主要采取焊接，即使大型結(jié)構(gòu)的高空安裝合攏節(jié)點(diǎn)部分采用栓接，也必須把栓接部件焊到鋼管桿件上，因而焊接技術(shù)在鋼管結(jié)構(gòu)的施工安裝中占有重要的地位。無(wú)論從焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，焊接工藝和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有特殊的要求。我國(guó)近年來(lái)已經(jīng)建造了多座管結(jié)構(gòu)形式的大型航站樓、體育館屋蓋和公路橋拱大部分桁架結(jié)構(gòu)中的桿件均在節(jié)點(diǎn)處采用焊接連接，而在焊接之前，需預(yù)先按將要焊接的各桿件焊縫形狀進(jìn)行腹桿及弦桿的下料切割，這就需要對(duì)腹桿端頭進(jìn)行相貫線切割及弦桿的開(kāi)槽切割。由于桁架結(jié)構(gòu)中各桿件與桿件之間是以相貫線型式相交，桿件端頭斷面形狀比較復(fù)雜，因此在實(shí)際切割加工中一般采用機(jī)械自動(dòng)切割加工和手工切割加工兩種方法進(jìn)行加工。主管與支管的連接呈K、T、Y或復(fù)合形相貫節(jié)點(diǎn)形式時(shí)，支管端馬鞍形曲線。按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，把此類圓管相貫形接頭分為四個(gè)區(qū)，即趾部、兩側(cè)部、根部區(qū)。相貫形節(jié)點(diǎn)的焊縫可以分為全焊縫、部分焊透和角焊縫三類，依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算承載要求選擇確定。要求全焊透時(shí)，支管馬鞍形端部（圓管時(shí)）的邊緣管壁必須切割出一定的坡口面角度以與弦桿表面之間形成適于焊透的坡口角度，所須切割的坡口面角度值隨支管與主管斜交角度不同以及接頭各區(qū)支管母線與主管交點(diǎn)切線的斜面交角度不同而異，坡口面角度值還與各區(qū)位置以及支管與主管的管徑比有關(guān)。 與此同時(shí)，超聲相控陣靈活有效的控制聲速不僅使之具有很廣的應(yīng)用和發(fā)展前景，而且有助于改善檢測(cè)的可達(dá)性和適用性，這也提高了檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性和檢測(cè)結(jié)果的可靠性，增加了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和直觀性，促進(jìn)了無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的應(yīng)用和發(fā)展，因此超聲相控陣的檢測(cè)方法也是重要的研究課題3。1.2超聲相控陣發(fā)展及研究現(xiàn)狀超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的概念源于雷達(dá)天線電磁波技術(shù)，至今已有二十多年的發(fā)展歷史。醫(yī)學(xué)超聲診斷的應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較成熟的。利用其超聲高能聚焦特性可用于殺死癌細(xì)胞。早在二十世紀(jì)六十年代，相控陣技術(shù)用于工業(yè)檢測(cè)時(shí)，因受限于電子及換能器制造技術(shù)發(fā)展滯后，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)欠成熟等因素。再加上檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高，所以，該技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域未完全普及。直到九十年代，超聲相控陣技術(shù)才逐漸被接受。憑借聲束可靈活偏轉(zhuǎn)及可動(dòng)態(tài)聚焦等特性，相控陣檢測(cè)作為一門新技術(shù)進(jìn)入人們的視野，并進(jìn)行重點(diǎn)研究。后期，相控陣系統(tǒng)在陣列和成像研發(fā)中取得了成果，形形色色的相控陣儀器被生產(chǎn)并用于缺陷檢測(cè)。二十世紀(jì)九十年代，在國(guó)外超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展起來(lái)。專利方面，超聲相控陣檢測(cè)在金屬焊縫檢測(cè)上也獲得了相應(yīng)的專利1。利用斜探頭在聲傳播方向上的聚焦特性，通過(guò)轉(zhuǎn)換激發(fā)多個(gè)換能器的陣列來(lái)檢測(cè)焊縫中的缺陷。電站鍋爐管座角焊縫失效部位疲勞裂紋頻繁出現(xiàn)3。為提高缺陷檢出率保證檢測(cè)的可靠性，相控陣檢測(cè)技術(shù)也被用于此。相控陣檢測(cè)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)聲束參數(shù)，克服檢測(cè)對(duì)象管壁薄、曲率大等因素的影響，對(duì)小徑管對(duì)接接頭進(jìn)行檢測(cè)。還可以用于檢測(cè)汽輪機(jī)的葉片根部及航空材料等4。一種名為FAUST系統(tǒng)的新型超聲相控陣掃描系統(tǒng)，由法國(guó)的原子能協(xié)會(huì)研制。是一套基于VXI總線可以同時(shí)使多個(gè)陣列換能器工作的系統(tǒng)5。超聲相控陣技術(shù)處于逐漸完善的過(guò)程當(dāng)中，陣列換能器的制造技術(shù)也在提高。美國(guó)人J.Ritter研究出的復(fù)合晶體換能器由16陣元組成，掃描范圍為30-70，且只對(duì)部分材料敏感6。除此以外，表面波以及板波的相控陣檢測(cè)也有廣泛的應(yīng)用7。另外，加拿大RD TECH公司也有自己的研究成果。該公司研發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，獲得了美國(guó)通用公司的肯定，探頭為壓電陶瓷型線性陣列，探頭最多可容納60個(gè)晶片，40-70的掃查角度8。其他方面，例如相控陣系統(tǒng)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)聚焦、二維陣列9.10方面、板波、表面波換能器11方面等，都將是日后重點(diǎn)研究的方向。其中，相控陣自適應(yīng)聚焦的研究已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，該系統(tǒng)可根據(jù)接收到的缺陷回波信號(hào)，自動(dòng)對(duì)聚焦法則進(jìn)行更改，優(yōu)化檢測(cè)方法，提高缺陷檢出率。相控陣全自動(dòng)檢測(cè)裝置已用于在天然氣管道環(huán)焊縫的檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)還在趨于完善；也用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)12。相比較在國(guó)內(nèi)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)尚且欠成熟，還處于研究階段。在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域中，由于超聲波在固體中傳播，波的干涉、變形等因素而造成波傳播規(guī)律復(fù)雜，儀器研發(fā)成本較高的現(xiàn)狀，相對(duì)來(lái)說(shuō)研究較滯后。而在機(jī)械結(jié)構(gòu)失效的檢測(cè)領(lǐng)域中，研究較少。通過(guò)借鑒國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備完成無(wú)損檢測(cè)，對(duì)西氣東輸天然氣管道完成全自動(dòng)超聲檢測(cè)13。針對(duì)管道焊縫的相控陣檢主要對(duì)抑制邊界聲波產(chǎn)生的擾亂信號(hào)進(jìn)行研究。一般的壓電陶瓷陣列，無(wú)法實(shí)現(xiàn)14。在2003年，主要研究聲波激勵(lì)控制延時(shí)相位的原理。使檢測(cè)分辨率提高了一定的水平 15。而在2005年，由楊建華教授等人完成的控制延遲技術(shù)，達(dá)到了相當(dāng)精確的地步，并進(jìn)一步對(duì)通道控制提出了構(gòu)想及實(shí)現(xiàn)辦法 16。1.3相控陣技術(shù)用于鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)鋼管桁架是用鋼管在其端部焊接而成的格子式結(jié)構(gòu)，由于受其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等因素的限制，焊接大多是由手工焊接進(jìn)行的。焊接過(guò)程當(dāng)中，可能因?yàn)橥饨绛h(huán)境的濕度、溫度等因素的影響造成焊接時(shí)機(jī)不當(dāng)，以及施焊工藝的不合理性都會(huì)使桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫中出現(xiàn)像夾渣、氣孔、未焊透、未熔合和裂紋等一些常見(jiàn)的不連續(xù)性缺陷。我們所熟知的五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法分別是超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)。超聲檢測(cè)是目前應(yīng)用最為廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。超聲檢測(cè)利用超聲波在工件中的傳播特性以及聲波反射等特性，根據(jù)儀器接受的超聲波的特征，來(lái)分析缺陷的特性，可以檢測(cè)材料的內(nèi)部及表面缺陷。射線檢測(cè)利用射線能與物質(zhì)發(fā)生相互作用的特點(diǎn)，在膠片上記錄透射射線的強(qiáng)度衰減信息，借助觀片燈觀察有黑度差異的底片，從而來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)件質(zhì)量。磁粉檢測(cè)是將工件磁化后，在不連續(xù)處磁感線畸變形成漏磁場(chǎng)，吸附工件表面的磁粉形成目視可見(jiàn)的磁痕，來(lái)評(píng)價(jià)表面及近表面的不連續(xù)性。滲透檢測(cè)基于液體的毛細(xì)作用，滲透劑滲入表面開(kāi)口缺陷中，顯像劑吸附滲透劑再經(jīng)顯像，在適當(dāng)?shù)臈l件下觀察，來(lái)分析缺陷的形貌特征。渦流檢測(cè)則是以電磁感原理為基礎(chǔ)，通過(guò)分析載流線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體中感應(yīng)的渦流的大小以及相位等參數(shù)的變化，來(lái)測(cè)定線圈阻抗的變化，從而來(lái)推斷試件的性能及有無(wú)缺陷。因?yàn)榇欧蹤z測(cè)只適用于檢測(cè)表面和近表面缺陷，檢測(cè)靈敏度受磁化方向的影響。而且，對(duì)于表面有覆蓋層的工件，對(duì)磁粉檢測(cè)有較大的影響。滲透檢測(cè)只能檢測(cè)表面缺陷，對(duì)于表面開(kāi)口被堵塞的缺陷則難以控制檢測(cè)操作質(zhì)量，對(duì)檢測(cè)人員的要求較高。射線檢測(cè)可以檢測(cè)內(nèi)部及表面缺陷，不能對(duì)缺陷進(jìn)行定位，受試件結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，檢測(cè)成本高，而且檢測(cè)效率低，對(duì)人體有害。渦流檢測(cè)只適用于檢測(cè)表面及近表面的缺陷，渦流效應(yīng)的影響因素眾多，缺陷的定位定量以及定性還比較困難。綜合考慮檢測(cè)效率、缺陷檢出率、經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及檢測(cè)對(duì)象等因素的影響，對(duì)鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，超聲檢測(cè)方法應(yīng)為首選。此外，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以及強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)，可以得出結(jié)論：超聲相控陣檢測(cè)與傳統(tǒng)的手工超聲檢測(cè)方法相比，相控陣檢測(cè)可同時(shí)形成A、B、C、D、S掃描，通過(guò)多角度的掃描，可以發(fā)現(xiàn)不同角度的缺陷，檢測(cè)效果好；由于聲束的可偏轉(zhuǎn)性、動(dòng)態(tài)聚焦等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于厚度較大或者變化較大的工件通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)儀器及探頭參數(shù)，僅單一探頭就可實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件的檢測(cè)；對(duì)于像夾渣、未焊透等體積性缺陷，相控陣檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)檢出率都較高；但對(duì)于一些對(duì)聲束指向性要求較高的面狀缺陷，超聲相控陣檢測(cè)的檢出率也高于常規(guī)超聲檢測(cè)；但是對(duì)于氣孔類回波較小的體積性缺陷，因相控陣扇形聲束的覆蓋率較高，超聲相控陣檢測(cè)的檢出率明顯要高于常規(guī)超聲檢測(cè)；總體而言，前者的缺陷檢出率要高于后者。超聲相控陣檢測(cè)分辨力好，可以在不同深度處形成聚焦。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性掃描，無(wú)需做鋸齒狀掃描就可以完成全焊縫的掃描?？蛇M(jìn)行手工、半自動(dòng)、自動(dòng)檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率。檢測(cè)結(jié)果可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)回放、永久性保存。總而言之，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)將其聲束偏轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)單靈活性以及動(dòng)態(tài)聚焦性能廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)中，使之具有檢出率高、操作簡(jiǎn)單易行、檢測(cè)效率高、可靠性好以及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。2 理論基礎(chǔ)2.1 超聲相控陣檢測(cè)原理概述無(wú)論是相控陣檢測(cè)還是常規(guī)超聲檢測(cè)，超聲探頭都是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的最重要組件之一。晶片作為探頭的重要組成元件，利用其自身能將電能和聲能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變的特性，來(lái)完成超聲波的發(fā)射和接收。所以探頭的性能將直接影響到超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性。常規(guī)超聲檢測(cè)一般使用一定尺寸的單個(gè)晶片來(lái)激發(fā)和接受超聲波，而且在被檢材料中聲束沿預(yù)先設(shè)定的單一方向定向輻射。但是，在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于一些厚壁工件、粗晶材料和形狀復(fù)雜的工件來(lái)說(shuō)，一般要求避免拆卸工件而對(duì)其進(jìn)行多角度探傷以防止缺陷漏檢。尤其是粗晶的奧氏體鋼的檢測(cè)，更要保障其檢測(cè)的可靠性。而相控陣探頭則是由若干個(gè)精密復(fù)雜、尺寸小、相互獨(dú)立的晶片單元按一定的陣列排布在一個(gè)探頭殼體中制造而成，各個(gè)晶片有其相對(duì)獨(dú)立的激發(fā)單元。探頭的驅(qū)動(dòng)則是通過(guò)軟件和電子裝置來(lái)控制晶片激發(fā)高頻脈沖的時(shí)序和相位。在被檢材料中同相位、同波長(zhǎng)的超聲波進(jìn)行相互疊加干涉，形成形狀可控的超聲場(chǎng)，并在一定深度形成聚焦，對(duì)檢測(cè)部位形成不同程度的覆蓋。超聲波的疊加形成不同的波前，就可以形成波束的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)和聚焦。當(dāng)探頭接受回波信號(hào)后，相控陣控制器按接收率變換時(shí)間，通過(guò)脈沖信號(hào)的形式反饋給探傷儀，形成可見(jiàn)的S掃圖像。系統(tǒng)通過(guò)控制各個(gè)晶片的時(shí)間延時(shí)，然后再根據(jù)延時(shí)來(lái)激發(fā)各個(gè)晶片，通過(guò)軟件控制聲束的范圍、聚焦的深度，大大提高了常見(jiàn)不定向缺陷的檢出率和可靠性。因此，超聲相控陣以其檢測(cè)靈活、可靠性高、檢出率高等特性作為一種行之有效的檢測(cè)手段，往往比常規(guī)超聲檢測(cè)更能適應(yīng)不同的檢測(cè)技術(shù)要求。超聲波的偏轉(zhuǎn)與聚焦特性是相控陣檢測(cè)系統(tǒng)最突出的兩個(gè)特點(diǎn)，超聲波的疊加和干涉以及波的反射都是以惠更斯原理為理論基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)的。2.1.1 相控陣的偏轉(zhuǎn)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置來(lái)控制各個(gè)晶片的激發(fā)順序，各個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間也自然是不一樣的，據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，波動(dòng)是對(duì)振動(dòng)狀態(tài)和能量傳播的體現(xiàn),對(duì)于質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的彈性介質(zhì)，介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，也會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，機(jī)械波就這樣傳播開(kāi)來(lái)。所以，波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可視為新的波源，然后子波的包跡就會(huì)決定一個(gè)新的波陣面。這些同相位、同波長(zhǎng)的相干波相互干涉進(jìn)而形成新的波前，聲波的連續(xù)傳播就能對(duì)超聲波的傳播方向進(jìn)行有效的控制。正是因?yàn)槁暡í?dú)特的可偏轉(zhuǎn)性，相控陣可以對(duì)材料被檢部位進(jìn)行靈活的多角度掃查。如圖2.1所示。圖2.1 超聲相控陣系統(tǒng)波束偏轉(zhuǎn)示意圖2.1.2 相控陣的聚焦相控陣超聲波聚焦的原理與其偏轉(zhuǎn)的原理相似，即各個(gè)晶片兩端芯片在延時(shí)時(shí)間的設(shè)置上將關(guān)于中心芯片對(duì)稱，就可以完成超聲相控陣的聚焦，且隨著延時(shí)值的增加，相應(yīng)的聚焦深度值也會(huì)變得越來(lái)越小，如圖2.2所示。對(duì)于實(shí)際的超聲相控陣檢測(cè)，為得到預(yù)想的波束，各個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間則通過(guò)聚焦法則的計(jì)算器來(lái)設(shè)置，此外，實(shí)際檢測(cè)當(dāng)中還需要考慮檢測(cè)對(duì)象的幾何形狀以、材料的聲學(xué)特性、以及探頭和楔塊的特征?？梢杂绍浖O(shè)置激發(fā)順序和延時(shí)時(shí)間以控制聲束的序列，進(jìn)而在檢測(cè)材料中得到不同的相對(duì)獨(dú)立的波前，而這些波前則又相互干涉從而又行成一個(gè)新的波前，穿過(guò)被檢材料的同時(shí)得到材料邊內(nèi)部缺陷及非缺陷回波信號(hào)。超聲相控陣系統(tǒng)能夠?qū)Σ牧媳粰z部位進(jìn)行不同角度、聚焦深度的掃查，可以說(shuō)聚焦法則計(jì)算器起主要作用。相控陣探頭有無(wú)斜楔時(shí)的延時(shí)律和聚焦律有所不同。無(wú)斜楔探頭與工件直接接觸，按聚焦律延時(shí)結(jié)果，對(duì)聚焦深度呈拋物線狀。如圖2.3所示。當(dāng)探頭從邊緣向中心移動(dòng)，延時(shí)值由小變大。焦距倍增，延時(shí)值減半。當(dāng)聲束偏轉(zhuǎn)呈扇形時(shí)，晶片單元上的延時(shí)則由晶片在窗口的位置決定。隨著晶片數(shù)目的增加，相控陣聲場(chǎng)的聚焦能力也隨之變強(qiáng)。在有效聚焦范圍內(nèi)，有效聚焦深度也會(huì)變大。當(dāng)然晶片數(shù)目視具體檢測(cè)對(duì)象而定。有斜楔的探頭，據(jù)費(fèi)馬原理也由可以產(chǎn)生不同聲束形狀的延時(shí)律。延時(shí)值由激勵(lì)單元位置和程控折射角決定，近場(chǎng)區(qū)外則不能進(jìn)行聚焦，需精確控制。如圖2.4所示。 圖2.2 超聲相控陣系統(tǒng)波束聚焦示意圖圖2.3 無(wú)楔塊直接接觸線陣探頭延時(shí)時(shí)間與聚焦深度的關(guān)系圖2.4有斜楔陣列探頭延時(shí)律與折射角和晶片單元位置的關(guān)系2.1.3 相控陣的發(fā)射和接收通過(guò)激發(fā)晶片來(lái)激發(fā)超聲波，然后超聲波的回波信號(hào)由各組晶片接收，楔塊延遲由時(shí)間的偏移來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。與傳統(tǒng)的超聲換能器有所不同的是，相控陣換能器可以同時(shí)把同一個(gè)地方的不同信號(hào)進(jìn)行結(jié)合，然后新的波前根據(jù)每個(gè)晶片的接受時(shí)間和振幅進(jìn)行精確調(diào)整。發(fā)射過(guò)程中，觸發(fā)信號(hào)被傳送至控制器，然后變成具有一定寬度的電脈沖。每個(gè)晶片只能接受一個(gè)電脈沖，由聚焦定律來(lái)界定時(shí)間延遲。然后就可以產(chǎn)生一定角度，并可以在一定深度聚焦的超聲波束。使用軟件進(jìn)行計(jì)算，各個(gè)返回的聚焦法則通過(guò)一個(gè)特定的聲束角度，聲波傳播聲程上一個(gè)特定的點(diǎn)，抑或是一個(gè)特殊的聚焦深度范圍的反射，將這些回波信號(hào)進(jìn)行匯合，將形成的脈沖信號(hào)傳送至探傷儀，再將這些回波信息以各種不同的方式顯示出來(lái)。如圖2.5所示。圖2.5超聲相控陣系統(tǒng)波束發(fā)射和接收示意圖2.1.4 相控陣探頭及其主要參數(shù)根據(jù)不同用途的需要，相控陣探頭的晶片能夠排布成各不相同的陣列樣式，如圖2.6所示：圖2.6 相控陣探頭和陣列類型線型陣列相控陣探頭是目前檢測(cè)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的相控陣探頭。有易設(shè)計(jì)、編程和模擬方便、直接接觸或水浸法容易使用等優(yōu)點(diǎn)。線型陣列相控陣探頭的主要設(shè)計(jì)示例參數(shù)如圖2.7所示：圖2.7 線型陣列相控陣探頭的主要參數(shù)在上圖中各參數(shù)意義：H 從動(dòng)窗寬度，指陣列單元長(zhǎng)度或探頭寬度g 晶片單元間距，相鄰兩單元的聲絕緣寬度e 晶片單元寬度，代表晶片單元的寬度p 晶片單元芯距，相鄰兩單元中心間距（p=e+g)A 主動(dòng)窗長(zhǎng)度，代表探頭陣列受激勵(lì)的總長(zhǎng)度(A=ne+g(n-1)實(shí)際相控陣檢測(cè)中，探頭參數(shù)需要不斷進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。參數(shù)變化對(duì)聲束特性的影響見(jiàn)表2-1。表2-1 線型陣列各參數(shù)與探頭產(chǎn)生聲束的關(guān)系參數(shù)變化產(chǎn)生的結(jié)果晶片總數(shù)不變，降低p和e加強(qiáng)偏轉(zhuǎn)能力升高p或e有柵瓣升高e有旁瓣，偏轉(zhuǎn)能力降低P減小或者是增加A增強(qiáng)聚焦能力2.1.5 相控陣的掃查方式與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)不同的是，相控陣檢測(cè)因其波束的方向性與掃查方向相結(jié)合，使相控陣掃查構(gòu)有其特殊的掃查方式。在計(jì)算機(jī)控制模式下大致可分為電子掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦掃描、扇形掃描三大類。掃查方式的選擇因檢測(cè)對(duì)象和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件而議。（1）電子掃描 電子掃描又稱作線性掃查。對(duì)同一組中的多個(gè)陣元施加同一個(gè)聚焦和延時(shí)法則，然后激發(fā)第一組陣元。然后以一定的布距依次向前移動(dòng)一個(gè)步進(jìn)值，以相同的方法激發(fā)，直到最后一個(gè)陣元。此種掃描方式聲束則是以一定方向進(jìn)行掃描，掃描結(jié)束后就會(huì)得到多個(gè)序列回波信號(hào)，探頭固定就可以檢測(cè)部分區(qū)域。示意圖如圖2-8(a)所示。（2）扇形掃描扇形掃描是在保持陣元固定不變的前提下，對(duì)其依次施加不同的聚焦法則。每次聲束的偏轉(zhuǎn)角度都會(huì)隨之發(fā)生改變，從而形成扇形掃描區(qū)域。聲波由某一點(diǎn)入射，在晶片陣列、聚焦深度保持不變的前提下，聲束在一個(gè)掃描范圍內(nèi)進(jìn)行掃查，且掃描區(qū)域可變。所以，對(duì)于一些幾何形狀復(fù)雜、檢測(cè)空間受限的檢測(cè)對(duì)象，扇形掃查更有利于缺陷的檢出。扇形掃查示意圖如圖2.8（b）所示。（3）動(dòng)態(tài)深度聚焦掃描動(dòng)態(tài)深度聚焦是對(duì)聲束軸線上不同深度處進(jìn)行聚焦。實(shí)際檢測(cè)中，發(fā)射聲波使用單個(gè)聚焦脈沖，晶片的聚焦法則則使用動(dòng)態(tài)控制。接受回波時(shí)，則對(duì)不同深度進(jìn)行重新聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦則一般適用于較薄工件的檢測(cè)。掃描方式如圖2-8（c）。2.8超聲相控陣的工作方式2.1.6 相控陣的掃描模式及圖像顯示相控陣掃描模式的選取是超聲探傷定量的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的相控陣根據(jù)掃描方向的差異，掃描模式有雙向掃描、單向掃描、線性掃描、偏向掃描等多種掃描方式。掃描過(guò)程中，根據(jù)編碼器采集數(shù)據(jù)位置，以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯示不同等特點(diǎn)，相控陣技術(shù)的視圖顯示一般有 A 顯示、B 顯示、C 顯示、D 顯示、 S 顯示等等。 如表2-2所列出。而各種顯示模式的投影方向和探頭的移動(dòng)方向相關(guān)，當(dāng)探頭是沿著步進(jìn)軸移動(dòng)時(shí)，各視圖的定義如2.9圖所示：圖2.9 超聲相控陣投影示意圖表2-2相控陣檢測(cè)基本視圖視圖類型X和Y軸的意義A掃描超聲軸和波幅B掃描俯視圖下的掃描軸和超聲軸C掃描俯視圖下的掃描軸和索引軸D掃描前視圖下的超聲軸和索引軸S掃描超聲聲束和探頭A 型顯示是最常見(jiàn)的脈沖反射信號(hào)顯示，通常探頭接收到的信號(hào)由檢波電路將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)。幅值顯示有全波檢波、負(fù)檢波和正檢波之分。A掃描顯示中每一個(gè)點(diǎn)代表工件截面上一個(gè)特定的點(diǎn)。Y軸表示反射波波幅。X軸表示發(fā)射聲波傳播的時(shí)間也有可能是聲程或者是真實(shí)的深度?？梢跃C合這兩者的信息來(lái)判定缺陷特征。A顯示有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)及分析處理的功能，可提供大量的缺陷信息。B掃描顯示的檢測(cè)面與聲束傳播方向平行，但與檢測(cè)表面垂直的剖面。在相控陣掃描視圖中主要用于對(duì)缺陷進(jìn)行定量。X軸表示探頭移動(dòng)的距離。縱坐標(biāo)代表波的傳播時(shí)間、聲程或者真實(shí)深度。反射回波的信息作為調(diào)制信息，用亮點(diǎn)的顯示代表接收信號(hào)。它能夠顯示缺陷的二維特性，較直觀的截面圖。C 掃描顯示的是工件的橫斷面，用電子閘門選定某一深度的超聲回波信號(hào)。改變延遲的時(shí)間，就可以獲得不同深度的橫斷面的顯示。X軸代表探頭水平移動(dòng)的距離，Y軸顯示的是步進(jìn)方向上的長(zhǎng)度。這種掃描方法只能給出投影信息，不能確定缺陷的實(shí)際深度。D 掃描顯示的檢測(cè)面與聲束方向和檢測(cè)表面都垂直。與B掃描顯示類似，X軸代表探頭移動(dòng)距離，Y軸代表傳播時(shí)間或聲程或真實(shí)深度。S掃描顯示即扇形掃描顯示，屏幕視圖數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要和相控陣探頭參數(shù)來(lái)具體設(shè)置。X軸代表波束傳播方向上距探頭的距離顯示。Y軸顯示超聲聲束的相關(guān)信息。分析相控陣掃查顯示結(jié)果圖時(shí)，一般結(jié)合多圖進(jìn)行綜合分析。 3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備3.1 Phascan超聲相控陣儀器簡(jiǎn)介本次對(duì)鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)檢測(cè)所用的儀器是由多普勒公司自主研發(fā)的Phascan超聲相控陣儀器?？梢該?jù)檢測(cè)對(duì)象的不同對(duì)材料進(jìn)行選擇，以及被檢部位的形狀設(shè)置。探頭和楔塊的型號(hào)可以由儀器內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別匹配。另外，除了具備相控陣接頭外，還具有兩組獨(dú)立的常規(guī)超聲通道，可實(shí)現(xiàn)TOFD檢測(cè)。用戶可以設(shè)置多個(gè)組同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)同一探頭設(shè)置不同的掃查區(qū)域，相當(dāng)于多臺(tái)儀器同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率。根據(jù)需要也可對(duì)焊縫坡口的形狀進(jìn)行選擇。儀器內(nèi)置聚焦法則計(jì)算器，可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的線性、扇形、深度等掃查方式。對(duì)深度、聲程、投影等參數(shù)進(jìn)行聚焦。對(duì)應(yīng)的有多種顯示方式供選擇。圖像分辨率高，精確靈明度可達(dá)到0.1度?？赏ㄟ^(guò)加載調(diào)色板的方式，根據(jù)工件厚度和檢測(cè)需要來(lái)調(diào)節(jié)顏色的變化范圍。在顯示屏上，低于或高于某一深度，顏色都會(huì)有明顯的對(duì)比度。尤其是有缺陷被檢出時(shí)，缺陷部位與背景明顯的色差對(duì)比，使缺陷顯示更為清晰。可觸屏也使操作更加方便快捷。相控陣的每個(gè)聚焦法則都等同于一個(gè)單通道探傷儀，檢測(cè)精度有了保障。便利的向?qū)гO(shè)置功能，向?qū)Р藛沃邪烁黝悈?shù)的設(shè)置，可通過(guò)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行檢測(cè)配置。可以對(duì)聲速、延遲、靈敏度以及使用曲線進(jìn)行快速、重復(fù)的校準(zhǔn)?？梢哉f(shuō)向?qū)莿?chuàng)建設(shè)置最快捷的方式。另外可對(duì)多掃描結(jié)果進(jìn)行綜合分析，出具一份缺陷報(bào)表。內(nèi)容包括儀器及探頭等必要參數(shù)、缺陷位置信息、掃描圖像等信息。檢測(cè)信息都可以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)分析。用戶可以隨著檢測(cè)對(duì)象和實(shí)際檢測(cè)要求的不同，隨時(shí)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)、分類別修改。分步設(shè)置也會(huì)提醒用戶對(duì)參數(shù)的連續(xù)設(shè)置。每個(gè)步驟在屏幕上都有提供在線幫助，可根據(jù)提示信息，在加深理解的前提下，完成參數(shù)的連續(xù)設(shè)置。3.2 儀器探頭參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)3.2.1 創(chuàng)建應(yīng)用設(shè)置圖3.1創(chuàng)建應(yīng)用模式在不知道儀器使用狀態(tài)的前提下，儀器使用前應(yīng)進(jìn)行初始化重置操作。然后進(jìn)行超聲檢測(cè)設(shè)置，視頻濾波開(kāi)。啟動(dòng)向?qū)гO(shè)置，增加一個(gè)組，設(shè)置工件的形狀及厚度。選擇組模式為PA模式，收發(fā)模式為PE模式。如圖3.1所示。3.2.2 探頭和斜楔的設(shè)置在進(jìn)行檢測(cè)前應(yīng)充分了解探頭及斜楔的型號(hào)。完成上述步驟后，要對(duì)組設(shè)置中的探頭/工件模塊進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)探頭與儀器相連時(shí)，多普勒公司的相控陣探頭可以由儀器自動(dòng)識(shí)別探頭及斜楔的型號(hào)，否則需要自定義手動(dòng)選擇所需型號(hào)。然后保存設(shè)置并關(guān)閉。設(shè)置如圖3.2（a）、（b）所示。3.2（a）探頭參數(shù)設(shè)置3.2（b）楔塊參數(shù)設(shè)置3.2.3聚焦法則設(shè)置完成上述步驟后選擇聚焦法則類型為扇形，并設(shè)置橫波進(jìn)行深度聚焦。聲束的偏轉(zhuǎn)范圍需設(shè)置起始與終止角度。可根據(jù)不同需求設(shè)置聲束范圍，在實(shí)際檢測(cè)當(dāng)中一般設(shè)置聲束范圍為30-70，中心聲束角度為50。在后面的校準(zhǔn)過(guò)程中會(huì)用到。因?yàn)閯?dòng)態(tài)聚焦的特性，此聲束范圍在檢測(cè)過(guò)程中可隨時(shí)改變，掃描線在對(duì)檢出缺陷進(jìn)行觀察時(shí)，掃描線可在聲束范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。然后選擇掃描方式，聚焦法則設(shè)置完畢。如圖3.3所示。 3.3聚焦法則設(shè)置3.2.4 聲速的校準(zhǔn)校準(zhǔn)步驟中最先進(jìn)行的是聲速的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的目的是為了測(cè)得材料中聲速傳播的真實(shí)速度，而且聲速校準(zhǔn)的準(zhǔn)確與否會(huì)影響到后面的延遲校準(zhǔn)。進(jìn)行校準(zhǔn)前需事先準(zhǔn)備好一塊CSK-A試塊。然后在向?qū)гO(shè)置中選擇校準(zhǔn)類型為聲速校準(zhǔn)。因?yàn)槭歉鶕?jù)試塊上R5和R100反射弧來(lái)校準(zhǔn)聲速，所以在這里選擇參考反射體回波類型為半徑，且反射半徑分別設(shè)置為50和100。因?yàn)橐吹椒瓷浠?00的回波，所以設(shè)置坐標(biāo)范圍應(yīng)大于100。增益值的設(shè)置應(yīng)使第一個(gè)信號(hào)的波幅達(dá)到滿屏的80%。然后將探頭移動(dòng)到試塊上合適的位置，找到R100回波的最高波，再使R50和R100反射波等高。因?yàn)橹挥挟?dāng)回波穿過(guò)閘門時(shí)，屏幕上才有示數(shù)，所以一般設(shè)置閘門的閾值為20%-25%。設(shè)置閘門的起始和寬度，分別使信號(hào)穿過(guò)閘門。在第一個(gè)信號(hào)處讀取位置1，第二個(gè)信號(hào)處讀取位置二。準(zhǔn)確完成上述步驟后，接受校準(zhǔn)，若校準(zhǔn)結(jié)果反映了材料中的真實(shí)橫波速度，則系統(tǒng)不會(huì)提示重新校準(zhǔn)。如圖3-4所示。3.2.5 延遲的校準(zhǔn) 延遲校準(zhǔn)為聲波入射到工件表面建立零位。與聲速校準(zhǔn)相同，延遲校準(zhǔn)在UT模式下進(jìn)行，在向?qū)е羞x擇延遲校準(zhǔn)。這里用CSK-1A試塊上的1.5的孔作為參考反射體，所以回波類型應(yīng)選擇為深度，并設(shè)置孔的深度。因?yàn)榭咨钪挥?5mm，所以要調(diào)節(jié)顯示范圍在50左右。將探頭放在試塊上合適的位置，前后移動(dòng)探頭，如圖并改變閘門的起始和寬度，此時(shí)發(fā)現(xiàn)最下方的屏幕中出現(xiàn)兩條綠色平行的誤差線也隨之改變。前后移動(dòng)探頭，使紅色的包絡(luò)線在兩條誤差線之間變化，當(dāng)包絡(luò)線完全處于誤差線之間時(shí)，選擇接收校準(zhǔn)結(jié)果。若反復(fù)移動(dòng)探頭未果，則校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，選擇清除包絡(luò)，重復(fù)操作。如圖3.5所示。圖3.4聲速的校準(zhǔn)圖3.5延遲的校準(zhǔn)3.2.6 靈敏度的校準(zhǔn) 靈敏度校準(zhǔn)主要使所使用到的聚焦法則規(guī)范化，對(duì)于同一個(gè)反射體，產(chǎn)生的波幅信號(hào)應(yīng)是相似的。同樣在PA模式下，在向?qū)е羞x擇校準(zhǔn)模式為靈敏度校準(zhǔn)。這次校準(zhǔn)在CSK-IIIA試塊16mm埋深為20mm的孔上進(jìn)行。調(diào)整閘門起始位置和寬度，使信號(hào)穿過(guò)閘門的中部。相同的，兩條誤差線的位置也會(huì)根據(jù)閘門位置的變化而發(fā)生變化。探頭在試塊上左右移動(dòng)時(shí)可以看到，一條藍(lán)色的平滑包絡(luò)線在紅色包絡(luò)線下游動(dòng)，并將紅色包絡(luò)線拱起。當(dāng)包絡(luò)線的最低點(diǎn)不低于之前設(shè)置的閘門閾值，且已經(jīng)建立了平滑信號(hào)包絡(luò)，選擇校準(zhǔn)，當(dāng)紅色包絡(luò)線呈直線狀，完全處于兩條誤差線之間時(shí)，選擇接受。若發(fā)現(xiàn)移動(dòng)探頭，不能進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，選擇清除包絡(luò)，重復(fù)操作。如圖3.6。圖3.6 靈敏度的校準(zhǔn)3.2.7 TCG曲線的校準(zhǔn)TCG曲線是時(shí)間校正增益曲線。反映當(dāng)一個(gè)反射體處于不同的深度時(shí)，相應(yīng)的回波高度會(huì)隨著增加增益值的變化而處于近似相同的波高，例如滿屏80%高。相控陣中使用TCG而不用DAC曲線，是因?yàn)橄嗫仃嚨娜毕莶ǚ@示用顏色的深淺來(lái)衡量。通過(guò)顏色的對(duì)比來(lái)確定缺陷的嚴(yán)重程度。為了方便把波幅規(guī)定為統(tǒng)一幅值，進(jìn)行這種歸一處理 ，可以用相同的幅值表示不同的深度。還是在PA操作模式下，向?qū)е羞x擇校準(zhǔn)模式為TCG校準(zhǔn)。反射體類型選擇為深度。將探頭放在CSK-IIIA試塊深度為10的孔附近。前后移動(dòng)探頭，改變閘門位置及閾值，使信號(hào)始終處于閘門內(nèi)且穿過(guò)閘門。移動(dòng)探頭，修改增益，以反射信號(hào)的最大波幅建立平滑的信號(hào)包絡(luò)。 然后選擇增加點(diǎn)，對(duì)孔深為20、30、40、50的孔執(zhí)行同樣的步驟。校準(zhǔn)后的曲線包絡(luò)應(yīng)呈向上延伸的趨勢(shì)，若進(jìn)行誤操作，可進(jìn)行刪除點(diǎn)操作。曲線完成后，接受TCG，校準(zhǔn)完畢。TCG視圖如3.7所示。圖3.7 TCG曲線的校準(zhǔn)3.3實(shí)驗(yàn)材料及狀態(tài)本次實(shí)驗(yàn)所用的材料為兩個(gè)T型管試樣，材料都為45#鋼，接頭處以相貫線連接。號(hào)T型管表面無(wú)銹跡，呈金屬光澤，主管開(kāi)口連接。號(hào)T型管表面涂漆，主管不開(kāi)口。號(hào)T型管主管的規(guī)格為200mm10mm，支管的規(guī)格為103mm10mm。號(hào)T型管主管的規(guī)格為90mm8mm，支管的規(guī)格為90mm8mm。實(shí)驗(yàn)前對(duì)工件管表面進(jìn)行預(yù)處理，清除表面的污物，對(duì)于表面有涂漆層的試樣應(yīng)將漆層打磨掉，且不影響探頭與工件的耦合。因?yàn)樘綔y(cè)面為曲面，應(yīng)選擇黏度適宜的耦合劑。此次所使用的耦合劑為機(jī)油，試樣表面應(yīng)沒(méi)有水跡要保持干燥。號(hào)T型管 號(hào)T型管4 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫的超聲檢測(cè)4.1實(shí)驗(yàn)難點(diǎn) (1) 焊縫外形不規(guī)則。主管與支管是以相貫線的形式連接，焊縫呈空間曲線狀。主管不進(jìn)行開(kāi)口，對(duì)于這樣的封閉結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭┖笚l件的限制，只能進(jìn)行單面焊。相控陣主要的掃查面為支管的弧形外壁，在其外壁垂直于焊縫進(jìn)行掃查，對(duì)探頭與檢測(cè)面的耦合要求較高。 (2) 管壁較薄。本次實(shí)驗(yàn)所用材料的管壁厚度為10mm和8mm。管壁較薄就會(huì)造成一些非缺陷波回波的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)缺陷的判別造成干擾。最常見(jiàn)的就是端角反射波和幻象波的影響。前者是因?yàn)楹缚p內(nèi)成型的不規(guī)則而引起的結(jié)構(gòu)反射波。后者是因?yàn)樘筋^重復(fù)頻率過(guò)高。另外，為了使檢測(cè)盡量采用一次反射波，要控制聲束的偏轉(zhuǎn)范圍，保證焊縫的全覆蓋。 以上實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，常規(guī)超聲和相控陣檢測(cè)都存在。4.2 鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)焊縫的相控陣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)4.2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析為不影響檢測(cè)結(jié)果，如何選擇探頭及儀器參數(shù)的設(shè)置顯得尤為重要。通過(guò)查閱資料進(jìn)行理論分析，為選擇提供可靠的依據(jù)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要參數(shù)分析如下： （1）因?yàn)樘筋^與工件的耦合面是曲面，對(duì)于曲率半徑較大的圓弧面，探頭與工件只能進(jìn)行點(diǎn)或者線接觸，界面的耦合程度決定了工件中聲能的強(qiáng)弱。另外斜楔尺寸越小，聲能更加集中。所以，實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇面積最小的斜楔配合探頭進(jìn)行掃查，以減少聲能的損失。 （2）本次實(shí)驗(yàn)所用試樣管壁厚分別為10mm和8mm，管壁較薄。探頭緊挨焊縫掃查，可能有一次直射波檢測(cè)不到的部位。這時(shí)需利用一次反射波，適當(dāng)?shù)卦龃舐暢?，?duì)焊縫實(shí)現(xiàn)聲束的全覆蓋。使檢測(cè)盲區(qū)降到最小，提高缺陷的檢出率。這與常規(guī)超聲檢測(cè)厚度較薄的工件使用K值較大的探頭是一樣的道理。掃查過(guò)程中，可能出現(xiàn)無(wú)論怎樣移動(dòng)探頭，工件中扇掃缺陷回波在扇形界面內(nèi)呈現(xiàn)不完整顯示或者不清晰顯示，此時(shí)需調(diào)節(jié)聲束偏轉(zhuǎn)角度來(lái)適應(yīng)檢測(cè)要求。常規(guī)超聲檢測(cè)用探頭的折射角一般是固定的，且折射角在30-70之間變化。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議將聲束偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為30-70。 （3）陣元間距是相控陣探頭的一個(gè)重要參數(shù)。超聲聲場(chǎng)具有空間分布特性，從圖4.1可以看出，主瓣聲束附近總會(huì)存在旁瓣、柵瓣區(qū)。實(shí)際檢測(cè)中，柵瓣的聲束能量甚至高于主瓣聲束的能量。造成主瓣深度方向上聚焦的畸變，必須消除。每個(gè)陣元激發(fā)的信號(hào)都經(jīng)過(guò)空間采樣而成，當(dāng)陣元間距等于波長(zhǎng)，經(jīng)時(shí)間濾波后，無(wú)論如何柵瓣都位于通帶區(qū)內(nèi)。當(dāng)陣元間距減小時(shí)，就可以消除柵瓣的影響。抑制柵瓣的同時(shí)，旁瓣也會(huì)降低。陣元間距越大，主瓣寬度可減小，提高空間分辨力。原則上在旁瓣和柵瓣得到抑制的前提下，可適當(dāng)增大陣元間距。綜合考慮在這里選擇陣元間距為0.5mm。圖4.1主瓣、旁瓣、柵瓣（4）陣元大小主要影響相控陣列偏轉(zhuǎn)方向上的聲壓振幅大小。陣元越大，則聲壓越大，信噪比越高。當(dāng)陣元過(guò)大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)柵瓣。因?yàn)榇舜问褂玫奶筋^晶片尺寸為一個(gè)定值，邊長(zhǎng)為10mm。不作改動(dòng)。（5）探頭頻率與聲波衰減以及信號(hào)分辨率有關(guān)。探頭頻率值越大，聲波的衰減越厲害，聲波在工件中的穿透能力逐漸變?nèi)?。但是聲?chǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的聲場(chǎng)能量卻會(huì)隨著探頭頻率的增加而增加。提高分辨率的同時(shí)，缺陷回波顯示越來(lái)越清晰。另外相控陣焦點(diǎn)尺寸隨頻率的減小而增大。焦點(diǎn)尺寸變大，則缺陷顯示與實(shí)際尺寸不符。主要表現(xiàn)在，缺陷回波顯示輪廓變得狹長(zhǎng)，辨別困難。在這里可供選擇的頻率值為7.5MHz和5MHz。所以選擇7.5MHz。(6) 相控陣檢測(cè)采用扇形掃查，聚焦深度的設(shè)置是關(guān)鍵。聚焦位置需設(shè)置在探頭近場(chǎng)區(qū)。聚焦聲場(chǎng)的輪廓在工件內(nèi)是呈弧形變化的。在聚焦位置處，能量最高，若在聚焦深度處恰好有缺陷，則有較清晰的回波顯示。探頭附近聲場(chǎng)范圍較寬，而在小于聚焦深度位置附近的聲場(chǎng)呈明顯的聚焦趨勢(shì)。大于聚焦深度位置處的聲場(chǎng)呈發(fā)散特性，且此區(qū)域內(nèi)任何深度位置處的聲束寬度都大于小于此深度值處聲束的寬度。而在實(shí)際檢測(cè)中聚焦深度值可能小于預(yù)設(shè)值。所以此次對(duì)于管壁厚只有8毫米的工件，設(shè)置聚焦深度值為6-8mm。大概為 板厚值。（7）探頭陣元數(shù)目直接影響著相控陣的聚焦性能。陣元數(shù)目越多，聚焦能力越好，相應(yīng)的分辨率也會(huì)提高。聚焦焦點(diǎn)尺寸的大小與陣元數(shù)目成反比。與（5）同理，焦點(diǎn)尺寸變大，則不能精確確定缺陷的尺寸。在這里選擇陣元數(shù)為16。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)對(duì)號(hào)T型管相貫節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行掃查，采用扇形掃查如圖4.2所示。圖中信號(hào)為焊縫內(nèi)深度約為3.5mm的缺陷回波顯示。實(shí)驗(yàn)中用到三個(gè)探頭型號(hào)分別為7.5S16-0.510、5L32-0.510、5L16-0.610。斜楔型號(hào)分別為SD10-N60S、SD2-N60S、SD1-N55。綜合4.2.1分析選用號(hào)探頭采用16陣元進(jìn)行掃查，超聲波聲束范圍設(shè)置為30-70時(shí)，缺陷的輪廓可以在掃描聲束范圍內(nèi)完整的呈現(xiàn)。說(shuō)明對(duì)此缺陷的掃描聲束范圍設(shè)置合理，對(duì)缺陷部位達(dá)到了聲束的全覆蓋。而且可以清晰的看到，缺陷部位呈紅色顯示，對(duì)比明顯。在檢測(cè)聲束范圍內(nèi)，探頭保持不動(dòng)，手動(dòng)移動(dòng)掃描線，發(fā)現(xiàn)缺陷深度也隨之變化。從缺陷報(bào)表中也可以看出，深度范圍始終在一個(gè)值附近浮動(dòng)。4-2探傷缺陷顯示圖4-2缺陷顯示在掃查過(guò)程中，往往在屏幕上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)缺陷顯示，如圖4.3所示。可能是一些密集型氣孔、條形夾渣或者是裂紋等不連續(xù)性缺陷的顯示。而且在一定范圍內(nèi)小幅度移動(dòng)探頭，偏轉(zhuǎn)聲束內(nèi)缺陷顯示仍不會(huì)消失。對(duì)于這類不連續(xù)性缺陷，也可保持探頭不動(dòng)，移動(dòng)掃描線來(lái)獲得單個(gè)缺陷的深度信息。掃描過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于如圖4.4所示的缺陷在聲束范圍內(nèi)不完全顯示，若移動(dòng)探頭還不能使其完全顯示，則需改變偏轉(zhuǎn)聲束的起始和區(qū)間范圍，完成缺陷的完整記錄。操作的靈活性也為缺陷的定性提供了可靠的依據(jù)。4.3密集性缺陷顯示圖4.4不完整缺陷顯示掃查過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些可疑的回波顯示。此類回波為管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)回波，顯示深度值一般與板厚值相近，回波幅度很高且呈狹長(zhǎng)的橢圓形狀，較為醒目的是，回波顯示內(nèi)外輪廓有很強(qiáng)的顏色對(duì)比顯示。很有可能是試樣底波的反射。4.2.3實(shí)驗(yàn)優(yōu)化驗(yàn)證 針對(duì)以上的理論分析，現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體如下： （1）陣元間距對(duì)比。將檢測(cè)到的同一個(gè)缺陷波信號(hào)，可設(shè)置號(hào)探頭陣元數(shù)與一樣同為16。用探頭、進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。陣元間距分別為0.5mm和0.6mm的。且波幅值都統(tǒng)一達(dá)到80%高進(jìn)行觀察。如圖4.5、4.6所示。圖4.5陣元間距為0.5mm時(shí)的缺陷顯示 圖4.6陣元間距0.6mm時(shí)的缺陷顯示 從以上對(duì)比可以看出，陣元間距為0.6mm時(shí)，缺陷屏幕顯示較為干凈，無(wú)明顯的柵瓣出現(xiàn)。盡管信號(hào)附近有雜波出現(xiàn)，可以看出分辨率較前者高。再者，使信號(hào)達(dá)到同樣的幅值，后者增益值較小，說(shuō)明陣元間距較大者，聲束指向性更好。 （2）頻率對(duì)比。同樣的將探頭中陣元數(shù)設(shè)置為16與相同。兩者保持其它參數(shù)不變，頻率值分別為7.5MHz和5MHz。對(duì)同一個(gè)缺陷，同樣保持信號(hào)幅值為80%高。觀察對(duì)比顯示。如圖4.5、4.7所示。圖4.7頻率為7.5MHz時(shí)的缺陷顯示 通過(guò)以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，后者分辨率高于前者。盡管理論上來(lái)說(shuō)后者衰減程度大于前者，但是后者聲能更高。從信號(hào)達(dá)到相同的波高兩者增益值相近就可體現(xiàn)出來(lái)。 （3）陣元數(shù)的對(duì)比。用探頭將陣元數(shù)分別設(shè)置為8、10、16進(jìn)行試驗(yàn)。如圖4.8（a）、（b）、（c）、所示。圖4.8（a）陣元數(shù)為8圖4.8（b）陣元數(shù)為10圖4.8（c）陣元數(shù)為16 從以上圖中可對(duì)比得出：隨著陣元數(shù)量的增加，分辨率明顯提高。而且隨著陣元數(shù)目的減小，缺陷顯示變得狹長(zhǎng)顯示為弧形。缺陷表征不準(zhǔn)確，缺陷顯示大于實(shí)際尺寸，造成誤判。 （4） 聚焦深度對(duì)比。用探頭掃查，對(duì)同一個(gè)